電流電壓與功率測(cè)量演示文稿

電流電壓與功率測(cè)量演示文稿電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇目前一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇優(yōu)選電流電壓與功率測(cè)量目前二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.1直流電流測(cè)量目前三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

設(shè)電流表的內(nèi)阻為r，在圖3.2（a）所示的測(cè)量電路中，原電路中電流I=E/R，而在圖3.2（b）所示的電路中，電流改變?yōu)镮′=E/(R+r)，兩者的誤差為目前四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.2電流表內(nèi)阻的影響目前五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

3.1.2模擬直流電流表的工作原理 直流電流表多數(shù)為磁電式儀表，磁電式儀表一般由可動(dòng)線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)讀數(shù)指針，當(dāng)線圈流過電流時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，可動(dòng)線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上面固定的讀數(shù)指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與通過可動(dòng)線圈的電流成正比。模擬直流電流表具有不需電池驅(qū)動(dòng)、顯示穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦存在非線性誤差大、容易損壞等缺點(diǎn)。

3.1.3數(shù)字萬用表測(cè)量直流電流的原理 數(shù)字萬用表是用電子技術(shù)來檢測(cè)直流電流的。通常在直流電流擋，對(duì)外電路來說，數(shù)字萬用表僅相當(dāng)于一個(gè)取樣電阻RN（不同的量程RN的值不同），測(cè)量時(shí)RN上有電壓信號(hào)Ui=IRN，其測(cè)量過程如圖3.3所示。

目前六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.3數(shù)字萬用表測(cè)量原理框圖目前七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)3.2交流電流的測(cè)量

3.2.1低頻交流電流的測(cè)量原理和方法 圖3.4所示的交直流轉(zhuǎn)換電路。目前八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.4交直流轉(zhuǎn)換電路目前九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.2.2高頻交流電流的測(cè)量原理和方法 我們可以通過測(cè)量這種與高頻電流密切相關(guān)的直流電流的大小，間接地檢測(cè)出高頻電流的大小，具體原理如圖3.5所示。目前十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.5熱電偶電表原理目前十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)3.3直流電壓的測(cè)量 3.3.1直流電壓的測(cè)量原理與方法 一般來說，直流電壓測(cè)量是將直流電壓表直接跨接在被測(cè)電壓的兩端，由直流電壓表讀出被測(cè)電壓的值。因此，電壓測(cè)量是一種最簡(jiǎn)便的電參數(shù)測(cè)量，其過程如圖3.6所示。目前十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.6電壓測(cè)量目前十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

當(dāng)其與適當(dāng)?shù)姆謮弘娮柘嗯浜蠒r(shí)，即組成了直流電壓表，如圖3.7所示。目前十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.7基于直流表的直流電壓表構(gòu)成框圖目前十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

設(shè)被測(cè)電路可等效為內(nèi)阻為Rx，開路電壓為Ux的電壓源，直流電壓表的等效內(nèi)阻為R0，則測(cè)量的完整電路簡(jiǎn)化為圖3.8。目前十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.8直流電壓表測(cè)量電路目前十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

由圖3.8可知，當(dāng)直流電壓表并接于被測(cè)電路兩端時(shí)，由于R0的存在，電壓表所測(cè)得的電壓由原來的Ux改變?yōu)椋?/p>

(3-1)目前十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.3.2直流電壓測(cè)量?jī)x表

1.模擬式萬用表 在圖3.9所示分壓電路中，使用MF500-B型萬用表的100V擋進(jìn)行測(cè)量，該儀表的靈敏度為10kΩ/V，可以推算出在100V擋的輸入電阻為100×10=1000kΩ=1MΩ，實(shí)際測(cè)得的電壓為目前十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.9高內(nèi)阻電路的電壓測(cè)量目前二十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2.數(shù)字式萬用表 數(shù)字萬用表均有電流電壓測(cè)量擋。與模擬式萬用表相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)輸入阻抗高，一般直流輸入阻抗可達(dá)20MΩ以上。

(2)分辨力高，可精確到百分之一，即在10V擋，可分辨到0.1V，而指針式的模擬萬用表的分辨力為最小刻度間隔所代表的電壓值的一半，量程越大，分辨力越低。目前二十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.示波器 示波器的直流電壓擋特別適用于觀察較大幅度的直流電壓信號(hào)或含有交流成份的直流電壓信號(hào)。

4.電子電壓表 電子電壓表一般為數(shù)字式儀表，輸入端設(shè)有由場(chǎng)效應(yīng)管電路組成的阻抗隔離電路和放大電路，因而具有較高的輸入阻抗和靈敏度，適用于在電子電路中測(cè)量高內(nèi)阻電路的電壓。目前二十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)3.4交流電壓的測(cè)量

3.4.1交流電壓的特征與量值表示 常見電壓的波形如圖3.10所示。目前二十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.10常見電壓的波形目前二十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2.交流電壓的表示量值 交流電壓幅度值的相對(duì)大小常用峰-峰值、平均值和有效值來表示。

1)峰-峰值UP-P

峰-峰值表示信號(hào)的最大值與最小值的差。對(duì)于對(duì)稱的正弦信號(hào)來說，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosωct，則有UP-P=2A，UP=1A。目前二十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2)平均值 設(shè)電壓信號(hào)為U（t），其周期為T，則平均值為 （3-2） 這時(shí)平均值的意義為（3-3）目前二十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3)有效值URMS

有效值指的是信號(hào)的均方根值（RMS）。電壓信號(hào)的有效值用URMS表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

對(duì)于正弦波U(t)=Umcosωct來說： （3-5） （3-4）目前二十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

工程上定義如下兩個(gè)參數(shù)： （1）波形因數(shù)KF:表示電壓的有效值與平均值之比，即 （3-6） （2）波峰因數(shù)KP:表示交流電壓的峰值與有效值之比，即 （3-7）目前二十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.4.2交流電壓的測(cè)量原理與方法

1.測(cè)量方法 交流電壓測(cè)量與直流電壓測(cè)量相類似，都是將電壓表并聯(lián)于被測(cè)電路上，其測(cè)量的連接如圖3.11所示。目前二十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.11交流電壓的測(cè)量目前三十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2.測(cè)量原理

1）交流電壓的模擬測(cè)量 用模擬電路的技術(shù)和方法測(cè)量交流電壓，最常用的轉(zhuǎn)換器有峰值檢波器、平均值檢波器和有效值—直流變換電路。其工作原理如圖3.12（a）、（b）、（c）所示。目前三十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

圖3.12測(cè)量原理（a）峰值檢波電路；（b）平均值檢波器；（c）熱電偶式變換電路目前三十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

以峰值電壓表為例，其顯示值是將峰值檢波器檢測(cè)到的電壓值除以波峰因數(shù)KP得到的，若顯示讀數(shù)為α，則 （3-8） 例3.1用一峰值電壓表去測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為10V，問該方波電壓的有效值是多少？目前三十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

解峰值檢波器的輸出為被測(cè)信號(hào)的最大幅度，由儀表的刻度關(guān)系知，被測(cè)方波的幅度為。由于方波的有效值與峰值相當(dāng)，故方波的有效值為14.1V。 而對(duì)于有效值轉(zhuǎn)換器，其特性符合如下公式： 由于不同頻率的諧波的乘積在（0，T）上積分為0，公式可以簡(jiǎn)化為（3-9）（3-10）目前三十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2)交流電壓的數(shù)字化測(cè)量

3.4.3交流模擬電壓表

1.放大檢波式電壓表 放大檢波式電壓表的工作原理如圖3.13（a）所示，各個(gè)組成單元的基本特性如下：

1）阻抗變換器 阻抗變換器的作用是對(duì)外（輸入）呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)內(nèi)（輸出）呈現(xiàn)低阻抗，典型的電路如圖3.13（b）所示。其中，V1是高頻場(chǎng)效應(yīng)管，輸入電阻極大，輸入電容小于2pF；

V2為高頻晶體三極管，輸出電阻為R4，一般為100Ω，該電路傳輸衰減系數(shù)較小，且能驅(qū)動(dòng)75Ω電纜。目前三十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2）衰減器 衰減器的作用是在測(cè)量大信號(hào)時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減以擴(kuò)大測(cè)量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性，在高頻時(shí)要考慮電路與元件的分布電容效應(yīng)，采用復(fù)合阻容結(jié)構(gòu)，典型的衰減器如圖3.13（c）所示。當(dāng)R1C1=R2C2時(shí)，衰減比與頻率無關(guān)。

3）寬帶放大器 寬帶放大器一般選用寬帶線性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50MHz的頻率范圍。

4）檢波器 常用的檢波器有峰值檢波器和倍壓檢波器，如圖3.13 （d）所示。目前三十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

圖3.13放大檢波式模擬電壓表原理框圖（a）放大檢波式電壓表組成原理；（b）阻抗變換器；（c）衰減器；(d)檢波器目前三十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2.檢波-放大式電壓表 檢波-放大式電壓表直接對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行檢波，然后對(duì)轉(zhuǎn)化成的直流信號(hào)進(jìn)行處理并顯示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，適用于高頻測(cè)量的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是起始測(cè)量信號(hào)較大，一般為幾十毫伏，非線性誤差亦大。其工作原理如圖3.14所示。目前三十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.14檢波-放大式電壓表原理框圖目前三十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3．熱偶式電壓表 熱電偶不僅可以用于電流測(cè)量，而且可以作為電壓測(cè)量的核心部件。

4．外差式電壓表 由于頻響和靈敏度的限制，放大-檢波式電壓表、檢波-放大式電壓表和熱偶式電壓表均不可以用于高頻微伏級(jí)電壓檢測(cè)。這時(shí)可采用外差式電壓表，它的測(cè)量頻率可達(dá)幾百兆赫，靈敏度一般都是微伏級(jí)。其工作原理如圖3.15所示。目前四十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.15外差式電壓表原理框圖目前四十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.4.4交流數(shù)字電壓表 低頻數(shù)字電壓表一般是在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上增加放大器、交直流變換器而組成的，如圖3.16（a）所示。 高頻數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（b）所示。 它的檢波器探頭高頻特性較好。 寬帶數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（c）所示。目前四十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

圖3.16交流數(shù)字電壓表組成框圖 （a）低頻數(shù)字電壓表組成框圖； （b）高頻數(shù)字電壓表組成框圖； （c）寬帶數(shù)字電壓表組成框圖；

(d)智能型電子電壓表組成框圖目前四十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.4.5交流電壓測(cè)量的其他應(yīng)用

1.脈沖電壓測(cè)量 脈沖電壓的特點(diǎn)是幅度較大，持續(xù)時(shí)間短。 如果用峰值檢波器檢測(cè)已知占空比的脈沖電壓，可以由數(shù)學(xué)的方法或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合適的修正。

2.噪聲電壓測(cè)量 在電子學(xué)領(lǐng)域，噪聲電壓是一種普遍存在的隨機(jī)信號(hào)。典型的有電阻的熱噪聲、晶體三極管的內(nèi)部噪聲、電子放大器的輸出噪聲等等。在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，免不了要對(duì)噪聲，特別是高斯白噪聲進(jìn)行測(cè)量。目前四十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)3.5功率測(cè)量 3.5.1直流功率測(cè)量 由電工學(xué)可知，功率即為單位時(shí)間內(nèi)所做的功。具體表達(dá)式為 （3-11）目前四十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

式中，Q—電荷，單位為C(庫(kù)侖)；U—電壓，單位為V(伏特)；I—電流，單位為A(安培)。 在電阻電路中，還可導(dǎo)出：

3.5.2交流功率測(cè)量 對(duì)于純電感電路，電流滯后電壓90°，如圖3.17（a）所示；對(duì)于純電容電路，電流超前于電壓90°，如圖3.17（b）所示。

（3-13）目前四十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.17U與I的相位關(guān)系目前四十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

設(shè)，則平均功率為 視在功率、無功功率與有效平均功率的關(guān)系為： （3-15）

（3-14）目前四十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

圖3.18為交直流功率表的工作原理與電路中單個(gè)負(fù)載的連接情況。目前四十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.18功率測(cè)量原理目前五十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

圖3.19中，兩個(gè)電壓線圈互相垂直安裝，一個(gè)與無感電阻相串聯(lián)，一個(gè)與電感器相串聯(lián)，所以可以近似地認(rèn)為兩線圈中的電流相位之差為90°。電流線圈是與電路相串聯(lián)的，與被測(cè)線路電流同相。目前五十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.19功率因數(shù)連接電路目前五十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

經(jīng)典型電度表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。目前五十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.20經(jīng)典型電度表的結(jié)構(gòu)目前五十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.5.3高頻功率測(cè)量 一般可用無感電阻和交流表頭，或高頻電壓表與理想負(fù)載構(gòu)成測(cè)試單元，如圖3.21所示。目前五十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.21高頻功率測(cè)量目前五十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

比如，在檢修一個(gè)400W單邊帶無線電臺(tái)發(fā)信機(jī)的功率時(shí)，即可用4個(gè)100W燈泡作為簡(jiǎn)易功率計(jì)，測(cè)量方法如圖3.22所示。目前五十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.22400W短波電臺(tái)簡(jiǎn)易功率測(cè)試目前五十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.5.4功率測(cè)量與電壓測(cè)量的電平表示 （1）絕對(duì)功率電平LP。以600Ω電阻上消耗1mW的功率作為基準(zhǔn)功率，任意功率與之相比的對(duì)數(shù)稱為絕對(duì)功率電平，其值為 （2）相對(duì)功率電平L（3-16）（3-17）目前五十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

由于600Ω電阻上消耗的功率為1mW，其上的電壓為0.775V，以此作為基準(zhǔn)電壓，可以確定電壓的絕對(duì)電平Lu和相對(duì)電平L′u分別為 要注意的是量程問題。電壓表的量程是乘數(shù)關(guān)系，電平表則是加法關(guān)系。因此在擴(kuò)大N倍量程的情況下，有（3-18）

（3-19）（3-20）目前六十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

例3.2用MF-20電子多用表的30V量程測(cè)量電壓，當(dāng)該量程的讀數(shù)為27.5V時(shí)，問該電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的分貝值是多少？ 解因?yàn)镸F-20多用表將1.5V量程刻度線上的0.775V定義為0dB，30V量程是1.5V的20倍擴(kuò)展，27.5V示值位置對(duì)應(yīng)在1.5V量程上的讀數(shù)為1.38V，所以有目前六十一頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)3.6數(shù)字萬用表的特點(diǎn)與技術(shù)原理 3.6.1數(shù)字萬用表的特點(diǎn) 數(shù)字萬用表具有以下特點(diǎn)： （1）功能多。

(2）指標(biāo)高。數(shù)字萬用表的直流電壓測(cè)量技術(shù)指標(biāo)有如下特色： ①輸入范圍大。 ②準(zhǔn)確度高。目前六十二頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)③分辨率高。④輸入阻抗高。⑤顯示位數(shù)多。⑥讀數(shù)速率快?？蛇_(dá)500次/s。（3）用途廣。目前六十三頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.6.2數(shù)字萬用表的主要技術(shù)指標(biāo) 數(shù)字萬用表最主要的技術(shù)指標(biāo)有： （1）顯示位數(shù)。 （2）分辨率。 （3）測(cè)量速率。 （4）輸入特性。 （5）抗干擾能力。目前六十四頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.6.3數(shù)字萬用表的組成 數(shù)字萬用表的組成框圖如圖3.23所示。目前六十五頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.23數(shù)字萬用表組成框圖目前六十六頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 3.6.4數(shù)字萬用表的技術(shù)原理與要求

1.輸入電路技術(shù)原理 數(shù)字萬用表一般通過一對(duì)紅黑表筆引入外部輸入信號(hào)，對(duì)于二端元件的測(cè)量也是通過表筆輸入的。對(duì)于晶體管這樣的三端元件，一般由獨(dú)立的測(cè)試座輸入。針對(duì)輸入信號(hào)幅值的不同，輸入單元電路設(shè)有不同的衰減器，當(dāng)測(cè)量的量值超出范圍時(shí)，系統(tǒng)能給出溢出提示，部分?jǐn)?shù)字萬用表設(shè)有語音提示功能，會(huì)及時(shí)給出操作有誤的信息。 目前六十七頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 2.顯示單元技術(shù)原理 絕大多數(shù)數(shù)字萬用表選用液晶顯示屏作為顯示終端。液晶屏由許多個(gè)由液晶材料構(gòu)成的顯像單元（像素）組成，典型的如筆段式，8×2、16×1字符型，122×32、128×240點(diǎn)陣式等。

3.控制處理單元技術(shù)原理 微處理器特別是單片計(jì)算機(jī)在數(shù)字萬用表中構(gòu)成控制器，管理測(cè)量操作過程和處理測(cè)量結(jié)果。此外,在一定程度上可以以軟件功能代替或簡(jiǎn)化硬件功能，如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)誤差校正、抑制干擾等。MPU的使用在很大程度上降低了系統(tǒng)成本，提高了儀表的智能化程度和操作的便利性。目前六十八頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn) 4.轉(zhuǎn)換電路技術(shù)原理 數(shù)字萬用表的轉(zhuǎn)換電路包括兩類:一類是基本轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將模擬狀態(tài)的直流電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；另一類是測(cè)試轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為儀器可以處理的直流電量。

1)基本轉(zhuǎn)換電路原理 雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器是一種應(yīng)用較早且目前仍被廣泛應(yīng)用的A/D轉(zhuǎn)換器，其原理如圖3.24所示。目前六十九頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)圖3.24雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器原理電路目前七十頁\總數(shù)八十一頁\編于二十點(diǎn)

雙斜式A/D轉(zhuǎn)